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#1a9763
2022諾貝爾化學奬
#1a9763

塑膠降解:

從聚乙烯、聚丙烯回到丙烷

#1a9763

量身訂做的反應室:

Seed up water oxidation!!

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主編最愛的元素:硼催化

酯類化合物的aldo reaction

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國際純化學暨應用化學聯合會(IUPAC)近日公布「2022 年化學領域 10 大新興研究」(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry)。這項由 IUPAC 在 2019 年發起的全球性活動,除了宣揚化學的價值外,更望向社會大眾傳達化學對於增進人類福祉與永續發展的貢獻。「2022 年化學領域 10 大新興研究」遴選出具有創新性及相當潛力為化學發展開啟新契機之技術研究,主題依英文首字母排序如下︰

氣凝膠(Aerogels)
纖維電池(Fiber batteries)
薄膜型螢光感測器(Film-based fluorescent sensors)
液態太陽能燃料合成(Liquid solar fuel synthesis)
奈米粒子巨量庫(Nanoparticle mega libraries)
奈米酵素(Nanozymes)
球形核酸疫苗(Rational vaccines with SNA)
鈉離子電池(Sodium-ion batteries)
織物顯示器(Textile displays)
虛擬實境互動式建模(VR-enable interactive modelling)

各項介紹請參閱連結,同時向全球徵求 2023 年的提名,截止日為 2023 年 3 月 31 日。

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Heteroalkyl-Substitution in Molecular Organic Semiconductors: Chalcogen Effect on Crystallography, Conformational Lock, and Charge Transport

Shakil N. Afraj, Chia-Chi Lin, Arulmozhi Velusamy, Chang-Hui Cho, Hsin-Yi Liu,

Jianhua Chen, Gene-Hsiang Lee, Jui-Chen Fu, Jen-Shyang Ni, Shih-Huang Tung, Shuehlin Yau, Cheng-Liang Liu, Ming-Chou Chen, Antonio Facchetti

Adv. Funct. Mater.2022, 32, 2200880

國立中央大學 化學系 陳銘洲教授

國立臺灣大學 材料科學與工程學系 劉振良教授

有機半導體材料基於可溶液製程、低溫製程、成本低廉以及分子可設計等優點,可應用於各種軟性電子/光電、能源元件、生醫應用等而已成為眾所矚目的研究熱點,但目前仍有許多挑戰如溶解度、穩定性、效能提昇等,因此開發適合溶液製程的有機半導體材料為重要課題。本團隊以含硫族分子於側鏈之聯噻吩 (XBT)為核心,設計高效能P 型有機小分子材料應用於場效應電晶體,探討引入不同側鏈長度、調整末端基併環數目(併三噻吩 (DTT)、併二噻吩 (TT)、噻吩 (T) )以及引入側鏈基團 (–XR,X = Se, S, O) 之影響。利用側鏈長度的不同增加溶解度及成膜性,增加末端基的併環數可以改善共軛長度,並探討主鏈噻吩環之硫原子與側鏈氧、硫以及硒之分子內作用力所形成的分子內鎖。從單晶可得,Se (側鏈)∙∙∙S (噻吩) 距離小於凡得瓦半徑總和,具有最強非共價鍵作用力,聯噻吩藉由側鏈之影響形成極高分子共平面性,利用剪切力塗佈法製作有機電晶體元件時,DDTT-SeBT-C14 (1) 最高電洞遷移率可高達4.01 cm2 V–1 s–1,此結果是文獻中以噻吩為核心的可溶液製程有機小分子材料之最高電洞遷移率,並透過晶體學、薄膜形態以及微結構進行更深入的探討。

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Demethylation of an artificial hydrogenase agent for prolonged CO release and enhanced anti-tau aggregation activity

Yun-Chin Wu, Yu-Chiao Liu, Shu-Wei Tsai, Kai-Ti Chu, Hsin-Jou Chen, Cheng-Yun Wu, Yu-Yi Hsu, Chang-Chih Hsieh, Wang-Jing Liu, Kien Voon Kong, Ming-Hsi Chiang

Chem. Commun., 2022, 58, 7245-7248

中央研究院 化學研究所 江明錫研究員

國立臺灣大學 化學系 江建文副教授

阿茲海默症(Alzheimer's disease)俗稱老年癡呆,是一種神經退化性疾病。目前醫學上尚無阻止或有效根治此種疾病的藥物與手段,僅有少數方法可以暫時延緩症狀。Tau蛋白的異常堆疊是現今被認為引起阿茲海默症的主因之一; 當不正常的Tau蛋白在神經細胞中過度磷酸化形成神經纖維糾結(NFTs),將造成神經細胞無法有效傳遞訊號,最終導致神經細胞死亡。一氧化碳(CO)為一訊號傳導分子,在神經細胞中發揮重要的作用,其生醫治療應用是一項嶄新的課題。然而,由於氣體分子具有快速擴散的特性,一般而言很難於生物體中控制CO的運送,因此減少CO突發性的釋放才可避免細胞毒性與組織損害。有鑒於此,本團隊與中研院合作,開發了一種穩定的二鐵羰基氫化酶([FeFe]),不但能透過照光控制細胞內CO的釋放,更因其穩定的結構,此試劑於細胞中釋放CO的持續時間更長達12小時或更久。藉由拉曼光譜儀與螢光探針,我們觀察到[FeFe]釋放出的CO能有效累積於神經細胞內。同時,氣相層析儀(GC)以及理論計算幫助預測、辨識中間產物;我們發現[FeFe]會以硫-甲基鍵斷裂的形式穩定累積於神經元。值得一提的是,實驗證實[FeFe]能夠有效減少細胞內Tau蛋白的聚集現象(減少大約49.3%),更表現出優異的生物相容性(95%的細胞存活率)。我們期望透過這種新型[FeFe]氫化酶有效調控CO釋放的性質,減少Tau蛋白的聚集現象,藉此作為阿茲海默症的潛力治療藥物。

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A Toolkit for Engineering Proteins in Living Cells: Peptide with a Tryptophan-Selective Ru-TAP Complex to Regioselectively Photolabel Specific Proteins

Tzu-Ho Chen, Kevin Garnir, Chong-Yan Chen, Cheng-Bang Jian, Hua-De Gao,

Bill Cheng, Mei-Chun Tseng, Cécile Moucheron, Andrée Kirsch-De Mesmaeker,

and Hsien-Ming Lee 

J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 39, 18117-18125

中央研究院 化學研究所 李賢明副研究員

中央研究院院聘博士後研究員 陳子皓博士

把細胞當成試管,在活體細胞中直接進行單一特異內源性蛋白質化學修飾反應,可以達到以化學策略進行對細胞的信號傳遞甚至行為控制,造成有效的干預效果。概念簡單粗暴,但做起來並不容易。這種化學反應必須要有非常高的選擇性 (包含蛋白質選擇性,胺基酸側鍊化學選擇性,及胺基酸位置選擇性)。為了顧及到蛋白質修飾後必須仍具有活性,不可讓蛋白變性失效,需要相當 軟性的水相化學反應。而且為了不讓這個化學反應干擾活體細胞內其他各種複雜生物化學反應運作,還必須高度要求細胞相容性且不干擾細胞其他生物化學反應 (可以先把它想成需要類似生物正交性)。這使得這類化學反應的窗口非常的小。常見的硫醇側鏈的半胱胺酸或胺基側鏈的離胺酸的化學修飾的位置選擇性太差,也無法修飾特定蛋白。目前針對含量較低且較惰性的胺基酸開發的修飾化學,則提供了更多的化學選擇性,如針對組胺酸,酪胺酸,甲硫氨酸側鍊的修飾。較有名的例子如2021年諾貝爾化學獎得主MacMillan一系列利用光催化反應修飾蛋白側鏈化學。不過上述這類反應因為胺基酸側鍊較惰性,反應條件因此較嚴苛,不太細胞相容,同時仍然缺乏蛋白質專一性,因此僅適合試管內修飾單一蛋白,而非活體細胞內蛋白。2022諾貝爾獎的生物正交點擊化學,若要應用在活體細胞內修飾專一蛋白的話,必須先利用非天然胺基酸插入表現蛋白的基因工程,在細胞內製造出含有點擊化學需要的非天然胺基酸側鍊正交官能基的蛋白質,再進行化學修飾。然而"先基因工程再化學修飾"的方法,工程過於浩大。因此必須捨棄化學選擇性達到蛋白選擇性。另一方向則可藉由親合配體修飾(affinity ligand-directed labeling)改善達到蛋白選擇性。然而傳統自由基和碳烯(carbene)的親和配體光化學修飾法(photoaffinity labeling)沒有側鍊或化學選擇性,僅能保持蛋白選擇性。加上親和配體通常都瞄準蛋白活性區,周圍的C–C, C–H, O–H and X–H都有可能隨機發生光誘發插入反應後,對被修飾的蛋白活性有很大程度負面影響。因此這類技術通常用於在試管中的蛋白混和物中如細胞濾液釣取(enrich)所要蛋白,而不是在活細胞內反應。Hamachi 的親和配體化學,以親和配基造成的鄰近效應來降低脫靶副反應,達成準生物正交性。可以用在活細胞內外,但胺基酸側鍊化學選擇性仍不夠專一,修飾後蛋白為混合物。本工作結合光親合反應和Hamachi 反應的優勢,利用Ruthemium-TAP complex 與色胺酸(tryptophan)側鍊的吲哚 (indole)進行有化學選擇性的藍光誘發電子轉移(photo-induced electron transfer)成鍵的光化學親和反應。此反應兼具蛋白質選擇性,特異胺基酸位置及化學選擇性,產物為單一修飾蛋白。比起傳統紫外光親和反應光,較長波長的光源誘導,更可增加生物及細胞相容性。 上述所進行的化學修飾也有別於傳統單調功能性修飾(如加上螢光團或biotin)。本工作選擇加上一段可紫外光解斷鍵的多肽,直接控制被修飾蛋白protein kinase A (PKA) 活性。所以此工作中,照藍光即可成功化學修飾蛋白並使其停止工作,等到所要的時間點來臨後,可再照紫外光斷鍵以還原蛋白活性。所以是由不同波長(顏色)的光源,來控制所有反應。除了以試管內蛋白實驗證明蛋白選擇性,活性可控性,並以質譜證明側鍊及位置專一性之外,並顯微注射到活體細胞內,以不同顏色光照,進行活體細胞PKA蛋白修飾,並進行細胞信號傳遞的干預。

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Biosynthesis of Piperazine-Derived Diazabicyclic Alkaloids Involves a Nonribosomal Peptide Synthetase and Subsequent Tailoring by a Multifunctional Cytochrome P450 Enzyme

Mai-Truc Pham, Shu-Rong Chen, Suh-Yuen Liang, Yuan-Bin Cheng, and Hsiao-Ching Lin Organic Letters. 2022, 24, 22, 4064-4069

中央研究院 生物化學研究所 林曉青副研究員

Diazabicycles是一種在天然物以及化學合成產物中出現的特殊化學結構,其化學衍生物具有多樣的生物活性,例如,自海鞘所分離的臨床抗癌藥物ecteinascidin-743。由於這類型化合物的特殊骨架結構,許多化學家設計了各種化學合成方法以生產具有diazabicycles骨架的化合物。然而,自然界的生物是如何合成這類化學骨架,以及有哪些催化酶參與其生合成途徑,甚至進行diazabicycles的化學修飾,目前為止,了解甚少。本研究在真菌 Neosartorya fischeri的基因體序列中,找到一個生物合成基因簇 nfi,利用基因工程方式,將其編碼基因轉殖入一般常用於釀製清酒和味噌的米麴菌 Aspergillus oryze,經由培養以及代謝產物的分離、純化與化學結構鑑定,以及異源表達系統的生物轉換實驗,發現編碼於 nfi 基因簇之催化酶可以進行兩種特殊化合物1,4-diazabicyclo[3.3.1]non-7-enes和1,7-diazabicyclo[4.3.1]dec-3-ene的生物合成。特別的是,本研究發現一個多功能的細胞色素P450酶,可在dibenzyl-piperazines化合物加上 ortho-dihydroxyl官能基,並且催化1,4-diazabicyclo[3.3.1]non-7-enes環化骨架的生成;另外,經由同位素標記實驗,本研究發現甲醛或catechol-substituted piperazine的降解產物可以提供一個單碳來源,進行1,7-diazabicyclo[4.3.1] dec-3-ene骨架的生成。本研究提供了對於真菌diazabicycles天然物生物合成途徑的了解,也提供了一系列催化酶工具,以合成由piperazines結構延伸的diazabicycles特殊化學骨架。

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Antibody Profiling in COVID-19 Patients with Different Severities by Using Spike Variant Protein Microarrays

Wen-Yu Su, Pin-Xian Du, Harvey M. Santos, Tzong-Shiann Ho, Batuhan Birol Keskin, Chi Ho Pau, An-Ming Yang, Yi-Yu Chou, Hsi-Chang Shih, and Guan-Da Syu

Analytical Chemistry 2022, 94, 17, 6529-6539

國立成功大學 生物科技與產業科學系 許觀達助理教授

COVID-19 的症狀從輕微到嚴重不等,甚至死亡。然而,COVID-19 嚴重程度與體液免疫特異性之間的關係尚不清楚。在這裡,我們開發了一種新冠變種病毒棘蛋白質晶片 (SVPM),並將其用於量化抗體中和活性、藥物篩選和體液免疫分析。首先,我們在 SVPM 上展示了抗棘蛋白抗體和 ACE2 之間的競爭,以測量抗體對多種新冠變種病毒的中和活性。接下來,我們收集COVID-19輕度/中度患者(出現呼吸急促、呼吸困難或胸部影像學異常,N=25),重度患者(血氧降低,使用呼吸器,N=23),極重度患者(需住ICU,甚至死亡,N=30死亡比例佔40%)和健康受試者(N=26)的血清,並分析抗體中和活性以及抗體分型(IgG, IgA and IgM)。我們發現,與輕度/中度或極重度患者相比,重度患者對多種變異株的 ACE2 結合抑制更強。除此之外,辨認非結構蛋白 3 IgG訊號在重症患者中升高,但在輕/中度和極重度病例中沒有升高。最後,我們評估了兩種抑製劑RamiprilPerindoprilACE2的抑制效果,發現隨著抑制劑的濃度越濃,會抑制ACE2與大部分新冠變種的結合,但對於變異株 B.1.617.3 毫無抑制效果。本研究發展了一套變異株蛋白質晶片和檢測程序,可有效地分析抗體藥物、小分子藥物以及免疫反應的專一性。

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Connecting Molecular and Supramolecular Shapeshifting by the Ostwald’s Nucleation Stages of a Star Giant Molecule

Hong-Yu Hsu, Jou-Tsen Ou, Tsu-Tung Cheng, Heng-Yi Lin, Chan-Yi Lin, Jia Chen,

Bin Sun, Po-Wen Chung, and Chien-Lung Wang

J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 21, 9390-9398

國立陽明交通大學 應用化學系 王建隆教授

中央研究院 化學研究所 鍾博文助研究員

自然界中生命物質(living matter)的多樣性,造就了多尺度生態系的蓬勃連結 。諾貝爾化學獎得主Prof. Jean-Marie Lehn (1987)曾說化學家應設法協助合成物質(synthetic matter)往生命物質方向演化。透過血紅蛋白能透過變形(shapeshifting)改變其超分子骨架(supramolecular scaffold),進而影響其氧氣吸附特性的啟發與引領,本研究開發一八臂星狀巨分子(eight-arm-star giant molecule),透過構型自由度(conformational freedom)來賦予該分子於星狀、柱狀、碟狀分子構型(conformer)間變形的能力,並以不同構型所帶來的幾何效應差異引導後續的自組裝程序,成功誘發各構型進入不同的奧斯瓦爾德成核階段(Ostwald’s nucleation stages),進而產生三維網路、二維層狀與一維柱狀超分子骨架,而超分子骨架的結構差異則進一步影響了材料對CO2氣體的吸附特性。此工作成功地將分子與超分子層級的變形特性引入單一分子系統,在學理上克服了長期以來合成物質在分子與超分子兩尺度間變形特性關聯性不佳的問題,更重要的是,研究透過縝密的結構解析與氣體吸附特性分析凸顯了合成物質具有進化成生命物質的可能性,也顯示了化學研究中仍有很多有趣的研究空間等待著化學家們盡情的探索。

#1a9763
Jeffrey Kovac
Oxford University Press, 2018

近來學術研究論文抄襲問題引起社會諸多討論,學術倫理著重誠實、負責、公正的基本守則,一直是學界重視的議題,國科會、教育部和各大學也有學術倫理聲明與規範。這本書介紹化學專業倫理,簡述倫理理論,對化學家基於道德理想的專業倫理有詳盡的討論。內容以道德理想表現於三個面向來探討,一是科學實驗、第二是科學界內部的關係,以及第三部分科學和社會的關係,特別是科學的運用。從美德來討論科學家為什麼必須遵守專業規範,然後界定化學倫理議題,再提出一些解決方法。這本書最後一章彙集了大量的倫理問題的案例,每個案例都有做討論,對實際發生的問題和探討很有幫助。

beer.young2009@gmail.com
#1a9763
#1a9763
2022年的諾貝爾化學獎於10月初公布,由美國化學家Barry SharplessCarolyn Bertozzi丹麥化學家Morten Meldal共摘桂冠。其中Sharpless已是2001年諾貝爾化學獎得主,這次時隔21年再次獲獎。諾貝爾化學委員會主席 Johan Åqvist 表示,今年化學獎利用簡單容易的方式,在不需複雜的處理情況下,直接創造出功能性分子(Functional molecules)。當代文明的許多成就都少不了化學家的貢獻,但是不可否認,許多災禍也跟濫用化學品息息相關,上個世紀科學的發展帶來了便利生活,這個世紀則在為科技高度發展所發生的環境問題尋找解方,但是無論是對環境有害或無害的研究,都扎扎實實地促進了人類對更多未知領域的理解與開發。目前國際會議開始熱絡起來,期待我們都能在國際會議的交流中看到彼此的研究成果,讓不同領域的化學研究者也能如同Click chemistry一般,迅速結合,共同合作。
  
再次向正在努力研究中的各位介紹,當您無法開啟在〈書訊補給站〉介紹的專書、〈推薦報導〉的新知,〈臺灣研究新發現〉成果發表的期刊,別忘了「化學中心總圖書室」始終支持您的研究工作,可以提供「零距離、免付費」的館際合作服務,線上提出申請,化學領域的電子期刊、電子書,以及紙本文獻通通都有!化學中心總圖書室會於正常上班時間4小時內回覆(週一~五,09:00-17:00),歡迎多加利用。

也請各位能花幾分鐘的時間填寫服務滿意度調查問卷,您的批評與指教才能使我們不斷改善服務方向和品質,再次謝謝大家。

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